李欣蔓，張永明

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200444）

電網(wǎng)中存在大量具有非線性負(fù)載的電子設(shè)備，使電網(wǎng)中電力諧波問題日益突出。諧波會增加用電設(shè)備的能耗，縮短其壽命，影響整個(gè)電網(wǎng)的用電質(zhì)量[1]。因此，需要消除諧波污染，將諧波含量維持在一定范圍內(nèi)。對諧波進(jìn)行精確檢測是解決諧波問題的重要前提。故在此提出基于LabVIEW與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的電力諧波實(shí)時(shí)在線檢測系統(tǒng)。

FPGA是一種主流的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺。其運(yùn)算速度快，接口電路簡便，可靠性高；與DSP相比較，能夠進(jìn)行并行計(jì)算，適用于大量重復(fù)性數(shù)據(jù)處理場合；在程序運(yùn)行過程中，可以極大提高系統(tǒng)運(yùn)算速度，提升實(shí)時(shí)性。LabVIEW是一種程序開發(fā)語言，使用圖形化程序框圖進(jìn)行編程；其環(huán)境簡潔，開發(fā)簡單，人機(jī)交互界面簡便，且能夠支持FPGA產(chǎn)品，有助于大幅縮短開發(fā)周期[1-2]。

所提出的檢測系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)，CompactRIO平臺上的FPGA作為下位機(jī)[3]。采用美國國家儀器（NI）公司的LabVIEW編輯上位機(jī)程序，通過串口通信控制下位機(jī)進(jìn)行信號采集、調(diào)理、分析和數(shù)據(jù)交換，并將結(jié)果傳送并顯示至上位機(jī)。

1 諧波檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW與FPGA的電力諧波實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器采集高電壓大電流電源信號，進(jìn)入調(diào)理電路經(jīng)屏蔽、變換、放大后，得到數(shù)據(jù)采集卡允許輸入范圍內(nèi)的電信號。CompactRIO平臺上的NI9220進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送至RIO-9035的實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行處理，借助以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。上位機(jī)使用LabVIEW設(shè)計(jì)框圖程序，在前面板顯示用戶操作界面，設(shè)置信號參數(shù)，顯示波形和輸出結(jié)果，并通過串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的信息交互。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System general structure

諧波檢測系統(tǒng)由信號測量轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析與管理4個(gè)模塊組成。其中，信號測量轉(zhuǎn)換模塊包含電壓電流互感器及信號調(diào)理電路，將電網(wǎng)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉螦DC輸入要求的小幅值信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將小幅值電信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并將其傳送至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)分析模塊以FPGA為運(yùn)算核心，對ADC的采樣信號進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)管理模塊對各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，完成顯示、存儲及通信及人機(jī)交互功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包含電壓傳感器、電流傳感器、信號調(diào)理電路及CompactRIO系統(tǒng)。

在含諧波源的電網(wǎng)中，電壓傳感器和電流傳感器分別將高電壓（690 V）、大電流信號（800 A）轉(zhuǎn)換成低電壓（±10 V）、小電流信號并傳輸至調(diào)理模塊。經(jīng)過調(diào)理電路，輸出信號轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓信號，滿足數(shù)據(jù)采集模塊的采樣要求，并消除可能由高頻信號引起的頻譜混疊現(xiàn)象。

2.1 調(diào)理電路

信號調(diào)理電路包括HS-DRB模塊、HS-SCB模塊、HS-IPM-DV模塊及IPM模塊。其中，HS-DRB模塊完成電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的交流電壓、母線電壓采樣電阻限流；HS-SCB模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)側(cè)電壓電流與電網(wǎng)側(cè)電壓電流等模擬采樣信號調(diào)理、電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)PWM信號轉(zhuǎn)接及開關(guān)信號控制轉(zhuǎn)接等；HS-IPMDV模塊作為電機(jī)側(cè)電壓與電網(wǎng)側(cè)PWM信號隔離驅(qū)動，并提供IPM模塊故障保護(hù)信號。電路的電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的電能參數(shù)調(diào)理設(shè)計(jì)分別如圖2、3所示。

圖2 電機(jī)側(cè)電能參數(shù)Fig.2 Power parameters at motor side

圖3 電網(wǎng)側(cè)電能參數(shù)Fig.3 Power parameters at grid side

2.2 CompactRIO系統(tǒng)

CompactRIO系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)處理器、可重新配置的FPGA芯片及熱插拔工業(yè)I/O模塊。通信交互過程如圖4所示，上位機(jī)運(yùn)行主機(jī)VI與下位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；實(shí)時(shí)處理器RIO-9035執(zhí)行Lab-VIEW Real-Time VI與主機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與控制；FPGA為運(yùn)算核心，執(zhí)行LabVIEW FPGA VI實(shí)現(xiàn)NI板卡的底層配置與采樣信號的數(shù)據(jù)處理；其中，I/O模塊采用NI-9220模擬輸入，每個(gè)通道提供±10 V的測量范圍，以及16位測量精度，采樣率可達(dá)100 kS/s/ch。

圖4 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)Fig.4 System communication structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用美國國家儀器（NI）公司的Lab-VIEW軟件進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW運(yùn)用圖形化編輯語言G組合多個(gè)功能模塊，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟?？刂?、波形及參數(shù)顯示保存、諧波分析與越限報(bào)警等功能。

3.1 諧波分析的基本原理

諧波是周期性交流信號進(jìn)行傅里葉分解得到的頻率為基波的整數(shù)倍的分量。在滿足狄利赫里條件時(shí)，周期為T=2π/ω的非正弦波形可分解為式（1）中的傅里葉級數(shù)，即

式中：Ansin（nω0t+φn）為n 次諧波項(xiàng)；An為n 次諧波幅值。由此獲得與基波頻率及其整數(shù)倍相同的分量。

通過快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transform）對電網(wǎng)諧波的連續(xù)時(shí)間信號進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，獲取離散的頻域信號?；贔FT加Hanning窗進(jìn)行信號截?cái)?，改善因信號頻率與采樣頻率不同步引起的頻譜泄漏。Hanning窗的表達(dá)式為

通過加Hanning窗FFT波形分析[4]，獲取各次諧波含有量、各諧波幅值與相位、總諧波畸變率及諧波功率等參數(shù)。

3.2 基于LabVIEW的諧波分析

諧波分析的軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。供電箱提供測試信號源，經(jīng)過調(diào)理電路，源電壓電流可轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集模塊允許范圍內(nèi)的值。FPGA VI中設(shè)置FPGA采樣頻率，采用NI9220輸入輸出模塊采集16通道的信號源，使用FIFO順序?qū)懭霐?shù)據(jù)緩存；Lab VIEW RT VI中設(shè)置RT讀寫頻率，使FIFO讀取FPGA VI數(shù)據(jù)至各通道，為各通道引入共享變量，該共享變量可用于HOST VI進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

波形畸變一般采用總諧波畸變率THD（total harmonics distortion）表示，即

式中：A1為基波幅值；An為n次諧波幅值；n為總諧波次數(shù)。國標(biāo)規(guī)定的各級諧波源的電壓THD見表1。

圖5 LabVIEW平臺的諧波分析Fig.5 Harmonic analysis on the platform of LabVIEW

表1 各級諧波源的電壓總諧波畸變率Tab.1 Voltage THD of multiple harmonic sources

4 試驗(yàn)測試及結(jié)果分析

試驗(yàn)對信號源的諧波進(jìn)行分析與測試。試驗(yàn)電壓220 V，基波頻率50 Hz，在相同試驗(yàn)條件下，同時(shí)選取專業(yè)諧波測試儀器和在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量。

試驗(yàn)結(jié)果表明，與現(xiàn)有的試驗(yàn)儀器比較，在相同試驗(yàn)環(huán)境下，諧波在線檢測系統(tǒng)測量值能達(dá)到專業(yè)儀器的同等測量精度，且測得的諧波次數(shù)更高?，F(xiàn)有的諧波測量儀器能測得40次諧波，在線檢測系統(tǒng)能達(dá)到50次及以上，且測得THD滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。與專業(yè)測試儀器相比較，基于現(xiàn)有的電力諧波在線檢測系統(tǒng)，可進(jìn)行更多檢測功能的拓展，包括電壓閃變模塊等，擴(kuò)展性好，性價(jià)比高。

5 結(jié)語

文中提出的一種電力諧波實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)能夠在上位機(jī)直觀展示諧波分析過程，在線檢測諧波分析結(jié)果，且達(dá)到專業(yè)儀器測試同等精度水平。該實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)以上位機(jī)為載體通過LabVIEW設(shè)計(jì)諧波分析程序與圖形界面進(jìn)行人機(jī)交互。下位機(jī)CompactRIO平臺上的FPGA通過調(diào)理電路、傳感器等與待測電網(wǎng)連接，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與測量，通過以太網(wǎng)及串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互計(jì)算。在線檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，簡便直觀，可塑性強(qiáng)，可根據(jù)測試需求進(jìn)行功能更改和擴(kuò)展。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證測量精度高，滿足測量需求。